CN111720262B - 直驱式风力涡轮机的雷电防护 - Google Patents

Abstract

直驱式风力涡轮机（10）包括：毂（13）；固定到毂（13）的至少一个叶片（17）；机舱（14），所述毂（13）可旋转地安装在所述机舱（14）上以用于绕旋转轴线（Y）旋转，所述机舱（14）包括连接到所述毂（13）以便从所述毂（13）接收旋转能的发电机（15）；塔架（11），所述机舱（14）安装在所述塔架上；雷电防护装置（100），其包括在所述至少一个叶片（17）和所述塔架（11）之间延伸的多个防护导体（110），所述多个防护导体（110）包括安装在所述发电机（15）的外表面上的至少第一防护导体（111）。

Description

直驱式风力涡轮机的雷电防护

技术领域

本发明涉及一种用于直驱式风力涡轮机的雷电防护装置。

背景技术

风力涡轮机包括雷电防护装置，以引导雷击从叶片穿过毂、机舱和塔架并向下到地面。直驱式风力涡轮机通常包括：

毂，

多个叶片，

机舱，所述毂可旋转地安装在所述机舱上，

发电机，其具有刚性地附接到机舱的内定子以及直接地（即，没有齿轮箱）刚性地附接到毂的外转子，

用于支撑所述毂和所述发电机的中空固定轴，主轴承插设在所述毂与所述中空固定轴的自由端之间，以用于允许包括所述毂和发电机转子的组件旋转，

机舱的基架，用于支撑中空固定轴，

塔架，所述机舱的所述基架安装在所述塔架上，使得所述机舱能够绕基本上垂直于地面的偏航轴线旋转。

在上述结构中，通常存在雷电防护装置，其包括从叶片延伸到塔架和地面的多个导体，例如导电电缆。IEC 61400-24标准定义了雷电防护区域（LPZ）概念。 在毂和机舱中，限定了三个主要的LPZ（雷电防护区域）:

毂，

主轴承与基架之间的中空固定轴内部的空间，

中空固定轴与发电机的转子壳体之间的环形空间。

在区域之间的过渡处，必须安装浪涌防护装置（SPD），以将由雷击产生的高电流传递到地面。SPD的要求取决于雷电区域的分类，如IEC 61400-24标准中所定义的。

本发明的范围是提供一种用于直驱式风力涡轮机的雷电防护装置，其允许通过改变上文所限定的三个LPZ的分类来降低对根据IEC 61400-24标准的SPD的要求。这导致成本节约。

发明内容

该范围可以通过根据独立权利要求的主题来实现。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明，提供了一种用于直驱式风力涡轮机的雷电防护装置。该风力涡轮机包括：

毂，

固定到所述毂的至少一个叶片，

机舱，所述毂可旋转地安装在所述机舱上以用于绕旋转轴线旋转，所述机舱包括发电机，所述发电机连接到所述毂以便从所述毂接收旋转能，

塔架，所述机舱安装在所述塔架上。

雷电防护装置包括在至少一个叶片和塔架之间延伸的多个防护导体，多个防护导体包括安装在发电机的外表面上的至少第一防护导体。

有利地，通过提供安装在发电机的外表面上的防护导体，中空固定轴内部的雷电防护区域以及中空固定轴与转子壳体之间的环形空间能够根据IEC 61400-24标准被分类为“区域2”。在这种类型的区域之间的过渡处，根据IEC 61400-24标准，不需要通过浪涌防护装置（SPD）的进一步防护。

在本发明的实施例中，发电机包括转子壳体，转子壳体刚性地连接到毂以用于与毂一起绕旋转轴线旋转，第一防护导体安装在转子壳体的外表面上。转子壳体的外表面提供了用于安装防护导体的方便表面。

在本发明的其它实施例中，多个防护导体包括至少第二防护导体，其安装在毂的外表面上并且电连接到第一防护导体。有利地，通过提供安装在毂的外表面上的防护导体，毂雷电防护区域根据IEC 61400-24标准能够被分类为“区域2”，从而获得上述相同的优点，即，在被分类为“区域2”的LPZ之间的过渡处，根据IEC 61400-24标准，不需要通过浪涌防护装置（SPD）的进一步防护。

在本发明的实施例中，雷电防护装置包括从至少一个叶片到塔架串联布置的以下多个防护导体：

沿着所述叶片安装的防护导体，

防护导体，其安装在所述毂的外表面上并且在所述变桨轴承（pitch bearing）处电连接到沿着所述叶片安装的所述防护导体，所述变桨轴承设置在所述叶片和所述毂之间，

防护导体，其安装在所述转子壳体的外表面上并且在所述风力涡轮机的主轴承处电连接到安装在所述毂的外表面上的所述防护导体，

滑动接触件，其设置在制动盘和固定轴之间，并且电连接到安装在所述转子壳体的外表面上的所述防护导体，

防护导体，其安装在机舱的固定轴上，并电连接到设置在制动盘和固定轴之间的滑动接触件，

防护导体，其安装在所述机舱的基架上并且电连接到安装在所述固定轴上的所述防护导体，

防护导体，其安装在所述风力涡轮机的所述塔架上并且电连接到安装在所述基架上的所述防护导体。

本发明的上述方面和其它方面从要在下文描述的实施例的示例中是显而易见的，并且参考实施例的这些示例进行解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于所述示例。

附图说明

图1示出了包括根据本发明的雷电防护装置的直驱式风力涡轮机的示意性侧视图。

图2示出了图1的直驱式风力涡轮机的更详细的侧视图。

图3示出了图1和图2的直驱式风力涡轮机的示意性截面图。

具体实施方式

附图呈示意性形式。相似或相同的元件由相同或不同的附图标记表示。

图1和图2示出了用于发电的直驱式风力涡轮机10。风力涡轮机10包括在一个底端处安装在地面9上的塔架11。在塔架11的相对顶端处安装有机舱14。机舱14通常安装成可相对于塔架11绕基本垂直于地面9的偏航轴线Z旋转。机舱12包括发电机15，此外，风力涡轮机10包括毂13，其可旋转地附接到机舱14上，以用于绕旋转轴线Y旋转，旋转轴线Y是机舱14的纵向轴线。毂13是中空的，并且毂13内的空间限定了根据IEC 61400-24标准的第一雷电防护区域。当没有不同地说明时，术语轴向或纵向、径向和周向在下文中参照纵向转子轴线Y来进行。发电机15连接到毂13以便从毂13接收旋转能。

风力涡轮机1还包括安装在毂13上的至少一个叶片17 （在图1的实施例中，风力转子包括三个叶片17，其中仅两个叶片17是可见的）。叶片17相对于旋转轴线Y基本上径向地延伸。毂13包括用于将相应的叶片17连接到毂13的三个凸缘。变桨轴承16插设在每个叶片凸缘与相应的叶片17之间。液压变桨致动回路与叶片17的变桨轴承16相关联，用于调节每个叶片的桨距角，即每个叶片绕相应的叶片纵向轴线X的角位置。风力涡轮机10包括雷电防护装置100，如在下文中更详细地描述的。

参照图3，机舱14包括基架22，其具有用于将机舱14可旋转地连接到塔架11以用于允许机舱绕偏航轴线Z旋转的凸缘。机舱还包括相对于旋转轴线Y同轴延伸的中空固定轴20。中空固定轴20沿旋转轴线Y在两个纵向端之间同轴地延伸，其中一个纵向端刚性地附接到基架22。风力涡轮机10的主轴承21安装在中空固定轴20的另一纵向端上。毂13连接到主轴承21，以用于允许毂13绕旋转轴线Y旋转。中空固定轴20内部的中空空间23限定了根据IEC 61400-24标准的第二雷电防护区域。

发电机15沿着旋转轴线Y在邻近毂13的驱动端和邻近基架22的非驱动端之间延伸。发电机15包括由气隙5隔开的外转子4和内定子3。定子3由中空固定轴20刚性地支撑。在操作期间，使外转子4绕旋转轴线Y旋转以便将机械能转换成电能。转子包括外转子壳体40，其在毂接口（hub interface）42与制动盘41之间沿着旋转轴线Y同轴地延伸。毂接口42刚性地连接到毂13，并且旋转地连接到主轴承21上，以用于允许包括毂13和转子壳体40的组件绕旋转轴线Y旋转。当操作条件需要时，制动盘41锁定转子4相对于定子3的旋转。发电机15的中空固定轴20和转子壳体40之间的环形空间24限定了根据IEC 61400-24标准的第三雷电防护区域。

雷电防护装置100 （在图3中由虚线示意性地表示）包括在至少一个叶片17和塔架11之间延伸的多个防护导体，用于将击中叶片的雷击电流传递到地面9。多个防护导体可以包括安装在相对于彼此相对地旋转的部件之间的多个导电电缆和多个导电刷。雷电防护装置100包括安装在发电机15的外表面上的第一防护导体111。特别地，第一防护导体111可以安装在转子壳体40的外表面上。第一防护导体111可以包括一个或多个导电电缆。第一防护导体111在毂接口42和制动盘41之间纵向延伸。多个防护导体包括安装在毂13的外表面上并在主轴承21处电连接到第一防护导体111的第二防护导体112。多个防护导体包括安装在基架22的凸缘上并借助于设置在制动盘41和固定轴20之间的滑动接触件117电连接到第一防护导体111的第三防护导体113。替代地，根据本发明的其它实施例，第三防护导体113安装在固定轴20上，特别是安装在固定轴20的凸缘上。多个防护导体包括第四防护导体114，其安装在至少一个叶片17上，并且在设置在叶片17和毂13之间的相应变桨轴承16处电连接到第二防护导体112。多个防护导体包括安装在基架22上并且电连接到第三防护导体113的第五防护导体115。多个防护导体包括安装在塔架11上并且借助于滑动接触件119电连接至第五防护导体115的第六防护导体116。第六防护导体116进一步连接到地面9。

雷电防护装置100提供风力涡轮机10的叶片17中的至少一者与地面之间的电连接。根据图3的实施例，雷电防护装置100包括串联布置的以下多个防护导体：

沿着叶片17的第四防护导体114，

在毂13的外表面上的第二防护导体114，

在转子壳体40的外表面上的第一防护导体111，

制动盘41与基架22的凸缘之间的滑动接触件117，

在基架22的凸缘上的第三防护导体113，

沿着基架22直到与塔架11的接口的第五防护导体115，

基架22和塔架11之间的滑动接触件119，

沿着塔架11直到地面9的第六防护导体116。

防护导体111、112分别在发电机15和毂13的外表面上（即暴露于外部环境）的存在允许将上文所限定的（即，在毂13内部、在固定轴20内部以及在中空固定轴20与转子壳体40之间的环形空间24中的）三个雷电防护区域分类为根据IEC 61400-24标准的“区域2”。这允许降低对三个区域之间的过渡处的SPD的要求。

Claims (9)

1.一种用于直驱式风力涡轮机(10)的雷电防护装置(100)，所述风力涡轮机(10)包括：

毂(13)，

至少一个叶片(17)，其固定到所述毂(13)，

机舱(14)，所述毂(13)可旋转地安装在所述机舱上以用于绕旋转轴线(Y)旋转，所述机舱(14)包括连接到所述毂(13)以便从所述毂(13)接收旋转能的发电机(15)，

塔架(11)，所述机舱(14)安装在所述塔架上，

用于支撑所述毂(13)和所述发电机(15)的中空的固定轴(20)，

其中，环形空间(24)布置在所述中空的固定轴(20)与所述发电机(15)的转子壳体(40)之间，并且所述机舱(14)包括刚性地附接到所述中空的固定轴(20)的基架(22)，

其中，所述雷电防护装置(100)包括在所述至少一个叶片(17)和所述塔架(11)之间延伸的多个防护导体，所述多个防护导体至少包括：

安装在所述发电机(15)的外表面上的第一防护导体(111)，

第二防护导体(112)，其安装在所述毂(13)的外表面上并且电连接至所述第一防护导体(111)，

第三防护导体(113)，其安装在所述中空的固定轴(20)上并且电连接至所述第一防护导体(111)，

第五防护导体(115)，其安装在所述基架(22)上并且电连接到所述第三防护导体(113)。

2.根据权利要求1所述的雷电防护装置(100)，其中，所述转子壳体刚性地连接到所述毂(13)以用于与所述毂(13)一起绕旋转轴线(Y)旋转，所述多个防护导体包括安装在所述转子壳体(40)的外表面上的第一防护导体(111)。

3.根据权利要求1或2所述的雷电防护装置(100)，其中，所述发电机(15)在刚性地连接到所述毂(13)的毂接口(42)与纵向相对的制动盘(41)之间纵向延伸，所述第一防护导体(111)在所述毂接口(42)与所述制动盘(41)之间。

4.根据权利要求3所述的雷电防护装置(100)，其中，所述第一防护导体(111)与所述第三防护导体(113)之间的电连接通过在所述制动盘(41)与所述中空的固定轴(20)之间的滑动接触件(117)提供。

5.根据权利要求3所述的雷电防护装置(100)，其中，所述风力涡轮机(10)包括位于所述中空的固定轴(20)与包括所述毂(13)和所述转子壳体(40)的组件之间的主轴承(21)，所述第一防护导体(111)与所述第二防护导体(112)之间的电连接设置在所述主轴承(21)处。

6.根据权利要求1或2所述的雷电防护装置(100)，其中，所述多个防护导体包括安装在至少一个叶片(17)上并且电连接到所述第二防护导体(112)的至少第四防护导体(114)。

7.根据权利要求6所述的雷电防护装置(100)，其中，所述第二防护导体(112)和所述第四防护导体(114)之间的电连接设置在变桨轴承(16)处，所述变桨轴承设置在所述叶片(17)和所述毂(13)之间。

8.根据权利要求1所述的雷电防护装置(100)，其中，所述多个防护导体包括安装在所述塔架(11)上并且电连接到所述第五防护导体(115)的至少第六防护导体(116)。

9.一种风力涡轮机(10)，包括：

毂(13)，

至少一个叶片(17)，其固定到所述毂(13)，

机舱(14)，所述毂(13)可旋转地安装在所述机舱上以用于绕旋转轴线(Y)旋转，所述机舱(14)包括连接到所述毂(13)以便从所述毂(13)接收旋转能的发电机(15)，

塔架(11)，所述机舱(14)安装在所述塔架上，

根据权利要求1至8中的任一项所述的雷电防护装置(100)。